47782

Закономірності зовнішньої форми кристалів

Конспект

Химия и фармакология

Поняття про кристали. У сучасній техніці кристали широко використовуються у радіотехніці електроніці автоматиці телемеханіці оптиці. Сьогодні у промислових умовах вирощують штучні кристали алмаз кварц напвпровідникові матеріали германій кремній різноманітні сполуки.

Украинкский

2013-12-02

83.5 KB

2 чел.

Кременчук 2011

Тема 1. Закономірності зовнішньої форми кристалів

  1.  макроскопічний та мікроскопічний підходи до вивчення стану речовини.
  2.  поняття про кристали. Властивості кристала.
  3.  Закономірності зовнішньої форми кристалів.

макроскопічний та мікроскопічний підходи до вивчення стану речовини

Відомо, що залежно від умов (тиск, температура) речовина як форма матерії може існувати в різних станах (тверде тіло, рідина, газоподібний стан). У конденсованому стані в 1 см3 речовини знаходиться ~ 1021 – 1023 ядер і 1022 1024 електронів, які взаємодіють між собою та із зовнішніми фізичними полями.

Найпростіша модель конденсованого стану – в якій конденсат розглядається як суцільне середовище. Такий підхід зветься макроскопічним. В цьому випадку не враховуються деталі внутрішньої будови речовини.

Прикладом макроскопічного підходу до вивчення речовини є дослідження газів. При певних умовах кожна частка газу володіє певною кінетичною енергією Е, яка набагато перевищує потенціальну енергію взаємодії часток U: E >> U. З цієї причини частки газу рухаються незалежно одна від іншої.

Для конденсованого стану співвідношення між енергіями частки є протилежним, а саме E << U.

Це означає, що частки у конденсованому стані сильно пов’язані між собою. Збудження однієї частки призводить до збудження сусідніх часток. Цей процес залежить від будови речовини, тому більш точним для дослідження конденсованих систем (тверді тіла, рідина) є мікроскопічний підхід, в якому приймають до уваги внутрішню будову елементів, з яких складається система.

поняття про кристали. Властивості кристала

Найбільш простою системою конденсованого середовища є ідеальний кристал (ІК). Під ідеальним кристалом розуміються тверді тіла, в яких реалізується симетрія у розміщенні атомів.

Більшість твердих тіл у природі мають кристалічну будову (метали, піски, гірські породи, а також органічні речовини – білки).

У сучасній техніці кристали широко використовуються у радіотехніці, електроніці, автоматиці, телемеханіці, оптиці.

Тому вивчення будови кристалів, а також їх властивостей – одна з важливих задач сучасної фізики.

При цьому фахівці не можуть задовольнитися лише природними властивостями кристалічних тіл, тому що техніці необхідні матеріали з наперед заданими властивостями.

Сьогодні у промислових умовах вирощують штучні кристали (алмаз, кварц, напвпровідникові матеріали – германій, кремній, різноманітні сполуки).

Створені кристали, аналогій яких не існує в природі, з унікальними властивостями.

Для того, щоб штучно виготовити нові кристалічні тіла, щоб управляти властивостями кристалів, необхідно знати закони, яким ці тіла підкоряються.

Кристалографія – одна з дисциплін, що розглядає ці закони.

Кристали складаються з часток (атомів, іонів, молекул), але вони мають такі властивості, яких немає у окремої частки.

Наведемо висловлювання академіка Вавілова С. І. (1941 р.):

 Кристалл нельзя рассматривать как простую сумму молекул, из которых он построен. Он ведет себя как особого рода гигантская молекула, как целый спаянный коллектив.

 Суттєвою особливістю розміщення часток у кристалах є періодичне повторювання однакових часток, з яких побудований кристал. Внаслідок впорядкованого розміщення часток кристали набувають такі властивості, яких немає у некристалічних тіл.

Однією з таких властивостей є плоскогранність монокристалів.

Монокристалами називають одиночні кристали, для яких характерний певний порядок у розміщенні часток (атомів, іонів, молекул).

Слово „кристал” вживалось древніми греками як назва гірського кришталю, який часто зустрічається у природі у вигляді тіл правильної форми.

Коли ми говоримо про кристал, у нас виникає образ тіла, яке має правильну форму – куба, октаедра, призми.

Правильна форма кристала є наслідком впорядкованого розміщення у ньому часток. Це основна властивість кристала.

У природі частіше всього зустрічаються кристалічні речовини у вигляді сукупності зв’язаних один з одним хаотично орієнтованих монокристалів. Такі речовини називають полікристалами.

Таким чином, у монокристалі присутній порядок у розміщенні часток, у полікристалі він порушується на гранях одиночних монокристалів.

Закономірності зовнішньої форми кристалів

Наслідком закономірного розміщення часток у кристалах є їх правильна зовнішня форма.

Суттєвими особливостями зовнішньої форми кристала є:

  1.  Наявність плоских граней
  2.  Прямолінійність ребер
  3.  Постійність кутів між відповідними гранями
  4.  Постійність кутів між відповідними ребрами

Закон постійності кутів кристала (закон Стено (XVI cт.)

У різних кристалів однієї і тієї речовини величина і форма граней, їх взаємні відстані та кількість можуть змінюватись, але кути між відповідними гранями при цьому лишаються постійними.

Через 100 років у 1763 році М. В. Ломоносов незалежно від Стено встановив закон постійності кутів кристала („Ттрактат о слоях земных”).

Незалежно від Стено і Ломоносова цей закон відкрив також Роме де Ліль. Крім того, він підтвердив закон точними кристалографічними вимірюваннями.

Якщо Стено дослідив тільки кристали двох мінералів – кварцю (SiO2) і гематита (Fe2O3), то Роме де Ліль описав біля 500 кристалів.

До М. В. Ломоносова ніхто не запропонував ніяких узагальнень чи гіпотез, що могли б пояснити результати спостережень.

Пояснення досліджених закономірностей сформулював М. В. Ломоносов:

Правильна зовнішня форма кристалів пов’язана із закономірним розміщенням часток, що утворюють кристал.

 Вчення Ломоносова про наявність зв’язку між зовнішньою формою кристала та їх внутрішньою будовою було лише гіпотезою.

Цю гіпотезу обгрунтував Є. С. Федоров, основоположник кристалохімічного аналізу, що дозволяє визначити за допомогою зовнішньої форми кристала його хімічний склад. Ідеї Федорова розвив А. В. Шубніков. Він вперше сформулював існування тісного зв’язку між хімічним складом кристала та його симетрією.

 Симетрія – пропорційність у розміщенні часток чого-небудь по обидва боки від середини або центру.

Вчення про зовнішню форму кристалів отримало назву морфологія.

Слід зауважити, що кристали набувають правильну форму тільки при умові вільного росту, тому що зовнішній вплив може її перекручувати.

Зовнішніми впливами, що заважають кристалам приймати правильну форму в процесі росту є нерівномірність розподілу температури, неоднаковість концентрації речовини у різних місцях розчину, домішки сторонніх речовин, механічні перешкоди.

В результаті одні грані можуть розвиватись більше, інші – менше, ніж потрібно для того, щоб кристал прийняв правильну форму.

Основні поняття і висновки, які слід запам’ятати:

  1.  Кристали входять до групи речовин, що знаходяться у твердому агрегатному стані (конденсовані системи).
  2.  Більшість твердих тіл у природі має кристалічну будову.
  3.  Кристали складаються з часток (атомів, іонів, молекул), але вони мають властивості, які відсутні у окремих часток.
  4.  Кристал не можна розглядати просто як суму часток (атомів, іонів, молекул). Він поводить себе як організований колектив цих часток.
  5.  Суттєвою особливістю розміщення часток у кристалах є періодичне повторювання однакових часток, з яких побудований кристал.
  6.  Внаслідок впорядкованого розміщення часток кристали набувають такі властивості, яких немає у некристалічних тіл.

Ці властивості:

  •  правильна форма (наявність плоских граней і прямолінійність ребер);
  •  постійність кутів між відповідними гранями та ребрами;
  •  впорядкованість розміщення часток (основна властивість кристала).
  1.  Закон постійності кутів кристала.

У різних кристалів однієї і тієї речовини величина і форма граней, їх взаємні відстані та кількість можуть змінюватись, але кути між відповідними гранями при цьому лишаються постійними.

Цей закон незалежно один від одного відкрили Стено, Ломоносов, Роме де Ліль.

У подальшому це вчення було розвинуто Федоровим і Шубніковим.

Останнє визначення кристала належить Г. В. Вульфу (1863 – 1925 рр.):

Кристалом зветься тверде тіло, обмежене в силу своїх внуирішніх властивостей плоскими поверхнями – гранями.

Кристалографія – це наука про закони кристалічної будови твердого тіла.


Тема 5. Структура і властивості кристалічних тіл

  1.  Класифікація кристалів за ознакою виду їх часток.
  2.  Приклади кристалічних структур.
  3.  Особливості фізичних властивостей кристалів.

  1.  Класифікація кристалів за ознакою виду їх часток.

За видами часток, з яких побудований кристал, і за характером сил взаємодії між частками всі кристали можна поділити на 4 групи: іонні, атомні, металеві та молекулярні.

Іонні кристали. Будівельними частками іонних кристалів є протилежно заряджені іони. Взаємне притягання між ними створює іонний зв’язок. Типовими іонними кристалами є NaCl, CsCl, CdF2. До іонних кристалів відносяться також деякі інтерметалічні сполуки: AuZn, MgAg, CdAg. Іонні кристали слабо розширюються при нагріванні і мають високу точку плавлення, що свідчить про велику міцність іонного звязку.

Чим більший заряд іона, тим вище температура плавлення іонного кристала. Наприклад, NaCl плавиться при температурі ~ 800 °С, а температура плавлення СаО досягає 2570 °С.

Іонні кристали не проводять електричний струм, тому що їх електрони міцно утримуються на орбітах іонів. Проте при нагріванні іонні кристали стають провідними з іонною електропровідністю. Наприклад, якщо кристал NaCl затиснути між двома електродами і розмістити його у нагрівальній печі, з’єднавши електроди з джерелом постійного струму, то при температурах 500 – 550 °С іони Na+ почнуть рухатись до катоду.

Атомні кристали. Атомні кристали утворюються атомами, які пов’язані один з одним гомеополярними (ковалентними зв’язками, що утворюються внаслідок того, що у двох або кількох сусідніх атомів створюються усуспільнені («колективізовані») електрони.

Приклад атомного кристала – алмаз. Атомні кристали подібно до іонних не проводять електричний струм, але на відміну від іонних лишаються непровідними не тільки при високих температурах, а навіть у розплаві.

Металічні кристали. Метали являють собою позитивні іони, що оточені середовищем вільних електронів, які пересуваються хаотично. Таким чином, метал можна спрощено уявити як іонний «каркас», що занурений в «електронний газ».

Метали відрізняються від інших кристалічних тіл високими теплопровідністю та електропровідністю, оптичною непрозорістю та високою відбивальною здатністю.

Молекулярні кристали. Молекулярні кристали утворюються молекулами, що пов’язані одна з одною силами взаємодії між молекулярними диполями, які звуться «ван-дер-ваальсовими».

Приклад молекулярного кристала – нафталін (рис. 5.1).

Низька точка плавлення (~ 80 °С), мякість свідчать про те, що звязок такого виду дуже слабкий.

  1.  Приклади кристалічних структур

Структура графіту (рис. 5.2). У деяких твердих тілах може одночасно існувати декілька видів звязку. Прикладом є шарувата структура графіту. Плоскі шари пов’язані один з одним ван-дер-ваальсовими силами, а в межах шару три валентні електрони кожного атома вуглецю утворюють гомеополярний зв’язок із сусідніми атомами, а четвертий електрон лишається вільним («сколективізується»), як у металах (тільки в межах одного шару).

Таким чином, в кристалах графіту існує звязок трьох видів: гомеополярний, металічний і ва-дер-ваальсовий.

Структура хлористого натрію (рис. 5.3). Решітка – кубічна, гранецентрована. Аналогічну структуру мають кристали KBr, RbJ, PbS, AgBr, MgO.

Cтруктура хлористого цезію (рис. 5.4). Решітка – проста, кубічна. Структуру хлористого цезію можна уявити у вигляді двох простих решіток, що зміщені одна відносно другої у напрямі [111] на половину довжини діагоналі куба, причому вузли однієї решітки зайняті іонами цезію, а вузли іншої – іонами хлору.

     


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82847. Навколишнє середовище (довкілля) тварин. Як тварини пристосувалися до різних умов навколишнього середовища. Охорона тварин 143 KB
  Мета: формувати елементарні поняття про навколишнє середовище тварин та необхідні умови для їх життя уявлення про деякі ознаки пристосування тварин до умов навколишнього середовища та пристосування до захисту від ворогів у природі...
82848. Дієслова близькі та протилежні за значенням 59 KB
  Дієслова близькі та протилежні за значенням. Поглиблювати знання про дієслова; розвивати в учнів уміння добирати дієслова близькі та протилежні за значенням; вчити вживати дієсловасиноніми у власному мовленні; збагачувати лексичний запас учнів; учити складати розповідь за серією малюнків використовуючи...
82849. Розповідні речення 49.5 KB
  Розширити уявлення учнів про речення; розпочати ознайомлення з типами речень за метою висловлювання; ознайомити учнів з розповідними реченнями їх характерними ознаками оформленням на письмі; розвивати вміння визначати розповідні речення в мовленні правильно записувати їх за інтонаційними ознаками...
82851. Слова, що означають назви предметів 40 KB
  Мета: узагальнити і систематизувати значення по вивченій темі, розвивати увагу, пам’ять, зв’язне мовлення, вміння аналізувати, узагальнювати і виділяти головне, виховувати старанність, інтерес до навчання, бережливе ставлення до природи.
82852. Слова, що означають назви предметів. Складання усної розповіді за малюнком 105 KB
  Закріпити знання учнів про слова що означають назви предметів. Сьогодні ми будемо закріплювати знання про слова що означають назви предметів будемо розпізнавати ці слова і ставити до них питання. Дрізд до дятла Добрий день Дуб здоровий не впаде Дятел дзьобом дріботить: Двісті років простоїть...
82853. Головні слова у реченні. Складання речень за графічними схемами 98 KB
  Мета: формувати поняття головні слова в реченні вчити знаходити їх у реченні; закріплювати знання про речення його види за метою висловлювання; розвивати інтерес до мовних явищ мовлення та мислення; розвивати вміння аналізувати доводити синтезувати інформацію; виховувати любов до своїх рідних...
82854. Слова, близькі за значенням (синоніми) 75.5 KB
  Мета: ознайомити учнів із синонімами (словами, близькими за значенням), визначити їх роль у мовленні, познайомити з окремими стійкими сполученнями слів; вчити спостерігати за роллю слів, що мають декілька значень, звучать і пишуться однаково; збагачувати словниковий запас...
82855. Мандрівка до квітучого саду. (Складання тексту-опису квітки або казки) 72.5 KB
  Мета: познайомити учнів з походженням деяких назв квітів, із значенням квітів в житті людей; вчити добирати вдалі образні вислови, порівняння, збагачувати активний і пасивний словник дітей; працювати творчо; виховувати прагнення берегти і примножувати красу рідної землі.